CN103298053B - 基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法，该方法首先为大规模网络中每个节点构建一个中继路由候选节点表，候选节点表的构建依据中继节点与源节点之间自治域的时延和跳数，然后该方法提出了最大连通度的概念，它是一个基于路径的总时延和候选路径与默认IP路径的差异度的衡量标准，然后通过对各条中继候选路径的最大连通度进行计算即可完成路径的挑选过程，本发明不仅能够满足VoIP业务对于传输时延的要求，保证传输时延低于VoIP要求的150ms，同时还能够甄选出来一条与默认IP路径差异最大的路径，通过多条路径来保证业务的鲁棒性。

Description

基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法

技术领域

本发明主要涉及大规模网络环境下的保障VoIP业务QoS属性的路由转发技术，特别是涉及应用于多源自治域网络中中继转发路径的选择提供了技术方案。

背景技术

VoIP是一个在Internet上应用较为广泛的网络服务。VoIP传递的是实时业务，在传递过程中会发生延迟、丢包和抖动等影响用户的体验。现今的互联网对于传送数据包来讲都是尽力而为，并不能够满足VoIP的服务质量要求，这就严重制约了VoIP业务的开展。

QoS是一种根据描述网络服务质量参数来对网络数据包进行分级控制的机制。其中网络服务质量的参数包括丢失数据包数、网络延迟和传输抖动等。然而，在Internet上保障端到端的QoS依然是一个非常有挑战的任务。其中一个非常重要的原因就是现今的Internet已经发展成为一个由大量独立运行的自治网络所组成的大网络。这些自治网称为autonomoussystems（ASs）。AS之间的连接是遵从两两之间的自由协议，各不相同，然而端到端的QoS则是需要端到端路径上所有的ASs一起协同的保障业务数据流的质量。因此，为了达到QoS要求，在网络层上统一地改变现有Internet的网络结构还是难以实现。

为了不改变现有网络架构，解决端到端QoS问题，P2Poverlay网络被提出来。P2Poverlay网络的关键之处在于网络的转发路径与网络层的路径是不同的。这个网络被部署于网络层之上，属于应用层的机制。Overlay路由的目的是为了控制或去改善网络上数据传送转发的路径。与传统的IP路由相比较，Overlay路由并不改变源节点和目的节点，只是改变数据分组可能通过的路径。Internet上存在一种反三角路由现象，即从源到目的经过中继的两条路径时延之和比其直连路径更短，常被称为反三角现象（TIV)。TIV是由于多个不同自治域的存在而造成的一种自然而且稳定的Internet上的现象。TIV使得存在一种潜在的路由改进可能。VoIP业务成为TIV现象改进的对象。

当前针对VoIPQoS的应用层路由改进问题，国内外主要有基于路径时延，基于路径差异度和基于同心环结构时延路由表等方法。例如：

(1)根据自治域的信息将网络划分为不同的群组，每个群组中都有一个小组代理和引导节点。然后在源节点所在群组和目的节点之间找到一个中继节点的交集，通过测量源节点和目的节点到交集中各中继节点的时延和，找出满足VoIP时延要求150ms的中继节点，并选择最小的一个为应用层路由的中继节点。

(2)根据路由源点的周边路径信息做出路由决策。源节点发送traceroute探测针来获取周围AS级别的路径延迟信息。算法需要知道源节点到中继节点的时延和AS路径，无需其他中央服务器。在最早出现分叉的节点中，选择从源节点到这些中继节点中延迟最大的k个节点作为可能的第一跳节点。这样的选择方法就有可能获得和默认路径的差异度较大的中继路径。

(3)用源节点到中继节点的时延作为尺度，发觉最优中继节点的分布规律。该方法发现，50%最优中继节点与源节点的RTT分布在[0，50]ms区域，20%RTT分布在[50，100]ms区域，其他分布在大于100ms区域。因此，在确定候选节点的数量时，也按照这种比例分布在不同时延区域挑选不同数量的节点作为中继节点的候选者。

(4)以meridian做为基础构建路由表来查找中继。该方法里，每个节点都会构建一个同心环状结构的时延路由表。路由表中成员都是基于AS拓扑信息被选取。在中继节点选择过程中，源节点会在自己维护的环里查找离目的节点最近的点，之后继续查找到的点又会在自己的meridian环中查找离目的节点最近的点，这个过程一直持续直到查找到的节点离目的节点距离是最近的。这个最后查找到的节点即为所选中的中继节点。

然而，上述几种VoIP应用层路由改进存在着如下的不足：1）只是单一考虑了时延特性而没有考虑其他性能的提升；2）只是单一考虑了能够获得和默认路径差异度较大的中继路径，没有考虑时延、丢包率方面的性能；3）只有单一的一跳中继节点来完成应用层路由，没有寻找两跳中继路径的存在性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay（中继）选择方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法，该选择方法包括以下步骤：

1）在覆盖网络中，根据时延和自治域之间的跳数从节点i的相邻节点中选取若干个最有潜力成为中继节点的节点，以所述若干个最有潜力成为中继节点的节点创建节点i的中继路由表，i=1,2…,M，M表示覆盖网络节点总数；

2）除去节点i的中继路由表中经过默认IP直连路径的节点，节点i的中继路由表中剩余的节点组成候选中继节点集合，定义从源节点途经中继节点再到目的节点为中继路经，参考中继路经的时延以及中继路径与默认IP直连路径的重合度定义最大连通度，根据最大连通度从源节点的候选中继节点集合中选取中继节点，构建单跳中继的路由路径。

所述最大连通度如公式（1）所示：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{Ohops}}{\mathrm{Thops}}+\frac{\mathrm{Rlatency}}{\mathrm{Qlatency}}---\left(1\right)$

，其中，θ表示最大连通度，Ohops表示重合的节点跳数，Thops表示总的节点跳数，Rlatency表示中继路径的时延，Qlatency表示VoIP的QoS对于时延的要求，选择使θ最小的节点作为中继节点。

所述选择方法还包括以下步骤：

1）单跳中继的路由路径构建以后，从源节点的候选中继节点集合中依次选出使最大连通度最小的k个节点作为第一跳中继的候选中继节点集，从目的节点的候选中继节点集合中依次选出使最大连通度最小的m个节点作为第二跳中继的候选中继节点集；

2）上述两组候选中继节点集组成k×m条两跳的中继路径，计算k×m条两跳的中继路径的最大连通度，然后选出使最大连通度最小的一组节点作为最终的中继节点，构成两跳中继的路由路径。

k的取值范围为[2,5]，m的取值范围为[2,5]。

所述两跳中继的路由路径是先将数据从源节点传输至第一跳中继节点，再转发至第二跳中继节点，最后传输到目的节点。

所述最有潜力成为中继节点的节点采用以下方法进行选取：依次从距离节点i所在自治域为1跳,2跳,…,T跳的自治域内选取节点，当选取的节点总数等于中继路由表的节点数上限后，停止选取；对于距离节点i所在自治域为t跳的自治域内的节点，t=1,2,…,T，在选取之前，将自治域内的节点按照时延的大小排序，经过排序后，选取时延最小的j_t个节点，t<3时，j_t=T-t；t≥3时，j_t=1。

所述中继路由表中包含的节点数量为10-30。

T的取值为4。

j_t的取值范围为[1,3]。

本发明的有益效果体现在：

本发明针对一个AS级别网络拓扑固定的大规模网络，在源节点到目的节点存在的多条P2P覆盖网路由路径中，选择出一个路径能够达到最小时延并且与默认的IP路径有差异性。首先为大规模网络中每个节点构建一个中继路由候选节点表，候选节点表的构建依据中继节点与源节点之间自治域的时延和跳数，然后该方法提出了最大连通度的概念，它是一个基于路径的总时延和候选路径与默认IP路径的差异度的衡量标准，然后通过对各条中继候选路径的最大连通度进行计算即可完成路径的挑选过程，本发明不仅能够满足VoIP业务对于传输时延的要求，保证传输时延低于VoIP要求（150ms），同时还能够甄选出来一条与默认IP路径差异最大的路径，通过多条路径来保证业务的鲁棒性。

附图说明

图1为在大规模多自治域中选择节点构造中继路由表的方法过程图；

图2为单跳的中继路径选择过程流程图；

图3为单跳的中继节点选择方法示意图；

图4为两跳的中继节点选择方法示意图；

图5为本发明与默认IP路径时延的比较；

图6（a）为本发明与默认IP路径的时延差；图6（b）为本发明的时延改善率；

图中：PPBR表示本发明提供的基于多源AS最大连通度的覆盖网中继选择方法（PathPickingBasedonRelay）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明所述基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法，适用于大规模多自治域的网络。用来保障VoIP业务端到端QoS能够满足用户的要求。发明主要由三部分组成：候选中继路由表的构建，单跳中继路由的构建，两跳中继路由的构建：

（301）在大规模网络中从每个节点的相邻节点中选取最有潜力成为中继节点的部分节点，并且把它们组织到这个节点的中继路由表中，具体如下：

对每个节点构造相对应的中继路由表。每个节点都有O(logN)个邻居节点，其中N为网络中总的节点个数。在这些节点中选择出最有潜力成为中继节点的部分节点，并且把它们组织到一个路由表中。在路由表中只要逐次查找每个节点，找到有符合相关的请求要求的邻居节点，就可以完成路由中继节点的选择。

遵从贪婪算法，在选择节点的时候对于不同时延范围的节点选择的比例也不同。尽可能的选择距离节点时延小，但是同时还要保证每个时延范围内都有节点可以被选到。因此按照下面的原则来选取：1）选取自与源节点所属自治域跳数小于5的自治域，并且要尽可能地选择距离源节点时延小的节点。

2）保障选取的节点数目由当前自治域与源节点所属自治域间的跳数决定。这也就是说按照自治域与源节点所属自治域的距离大小，由近及远逐步减少节点的被选数量。

对于每一个自治域的节点，按照时延的大小由低到高排序，经过排序后，按照上面的规则来选择20个最有潜力成为中继节点的节点。节点的时延大小、AS域和IP地址构建成一个中继路由表，如表1所示。

候选节点	时延	AS域
			Ni	τi	AS1
Nj	τj	AS2
			Nk	τk	AS3
Nm	τm	AS4
			…	…	…

表1

本发明中中继路由表的构建是针对网络中每一个节点。首先对每一个节点初始化一个容纳20个节点信息的空表。然后确认当前节点所在自治域与网络中其他自治域之间的跳数。按照距离的远近，先从距离当前节点自治域跳数为1的自治域中选择3个与当前节点时延最小的节点放入中继路由表中。接下来，从距离当前节点自治域跳数为2的自治域中选择2个节点放入中继路由表中。至于跳数为3和4的自治域，在每个自治域中选择一个时延最小的节点。这样依次进行，直到事先设置的空表被填充满，即中继路由表构造成功，则停止操作。

（302）参考从源节点途径中继节点再到目的节点的时延以及这些路径与默认路径的重合度定义最大连通度。根据最大连通度的计算，选取出满足条件的中继节点，构成单跳中继的路由路径，具体如下：

单跳的中继节点的选择过程依照最大连通度。根据时延和与默认IP路径的重合度，设定一个权值参数θ，称其为最大连通度，它的定义如下：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{\mathrm{Ohops}}{\mathrm{Thops}}+\frac{\mathrm{Rlatency}}{\mathrm{Qlatency}}---\left(1\right)$

Ohops表示重合的节点跳数，Thops表示总的节点跳数。Rlatency表示中继路径的时延，Qlatency表示VoIP的QoS对于时延的要求，通常是150ms。因为时延和路径差异是中继路径选择的两个主要因素，θ这个参数用来衡量这两个主要因素的偏重度。当θ越小，说明中继节点的时延效果和路径差异的效果越好。在所有节点中选择θ最小的节点作为中继节点。

整个过程中首先计算从源节点到目的节点的默认路径，并且记录所经过的节点的ID和IP地址。然后除去源节点中继路由表中属于默认路径经过的节点，将中继路由表中其他节点组成一个新的候选节点集。对于节点集中的每一个候选节点，计算从源节点途径候选节点再到目的节点的时延以及这些路径与默认路径的重合度。

单跳的中继路径选择过程具体由以下三个步骤完成：

步骤1：首先是记录从源节点到目的节点的默认IP路径所经过的节点的ID。然后由中继路由表中获取节点，判断是否属于默认路径。若不属于则继续步骤2，否则跳过这个节点，从路由表中获取下一个节点；

步骤2：对于每一个步骤1获取来的节点，测量候选的中继路径的时延，并且记录候选的中继路径所经过的节点的ID。根据公式（1）计算出路径的最大连通度。

步骤3：从步骤2中获取到所有候选节点对应的最大连通度，并且排序选取出最大连通度最小的节点作为中继节点，构建单跳的中继路由，并检验时延是否满足VoIP业务QoS要求的150ms。如果满足要求，则路径构建成功，否则执行两跳的中继节点的选择方法。

（303）从源节点的中继路由表中选出k个最大连通度最小的节点作为第一跳中继的候选。从目的节点的中继路由表中选出m个最大连通度最小的节点作为第二跳中继的候选，k的取值范围为[2,5]，m的取值范围为[2,5]，具体如下：

首先记录默认IP路由经过的节点。对源节点的中继路由表中每个节点，检验其是否是默认IP路由经过的节点。如果是默认IP路由经过的节点，那么跳过这个节点，查看下一个候选中继节点。如果不是，则按照（302）的步骤2，使用公式（1）计算出此节点作为中继节点的最大连通度。对源节点路由表中的节点依次执行此操作，将得到的多条路径的最大连通度进行排序，选出k个最大连通度最小的节点作为第一跳中继的候选。使用与第一跳中继候选节点同样的方法，再从目的节点的中继路由表中选出m个最大连通度最小的节点作为第二跳中继的候选；

（304）计算k*m条两跳的中继路径的最大连通度，并排序选出最大连通度值最小的一组中继节点作为最终的中继节点，构成两跳的路由路径，具体如下：

得到了两组节点集合后，第一组是由k个节点组成的第一跳中继候选节点集，第二组是由m个节点组成的第二跳中继候选节点集。那么，这两组节点搭配可以组成k×m条两跳的中继路径。然后分别计算这k×m条两跳的中继路径的最大连通度，并排序选出最大连通度值最小的一组节点（包括一个属于第一跳中继候选节点集的节点和一个属于第二跳中继候选节点集的节点）作为最终的中继节点，检验这条路径的时延是否小于VoIP业务要求的150ms，如果满足，则可以构成一条两跳的路由路径。

图1显示了应用上面的路由表构造算法在大规模多自治域中选择中继节点的一个过程。每个自治域在选择域内时延最小的节点时，由于域内节点数量较多，依次测量每一个节点到源节点之间的时延复杂度太高。为了简化方案的复杂度，先随机选择10个节点，然后通过一定的测量机制来测量源节点到这些节点的时延大小，并且依照大小从低到高排序，进而按照前述的要求来选取节点。图1中自治域AS1内的节点在构造路由表的时候首先从距离AS1一跳的自治域AS2、AS3、AS4内的节点选择候选中继节点。从这三个域中各选择三个节点，例如从自治域AS3中选择节点1、3、4作为候选。接下来从距离AS1两跳的自治域AS3、AS5、AS6、AS7、AS8中各选择两个节点加入到中继路由表中。然后自治域AS1从距离其三跳以上的自治域内各挑选一个节点加入到中继路由表中直到路由表依照设定的数目已填充满。当路由表中存储的某个中继失效时，自治域会重新选择一个候选节点加入其中。例如AS3中节点3失效，则会选择节点2作为补充加到路由表中。当中继路由表中剩余位置不足以容纳某个自治域内选取出节点时，将这些节点按照时延从小到大依次添加到表中，直至填满为止。

图2为单跳的中继路径选择过程流程图。其中流程图被虚线框划分为三块。上面的虚线框201对应于（302）的步骤1，由中继路由表中获取节点，判断是否属于默认路径，若不属于则继续。中间的虚线框202对应于（302）的步骤2，测量中继路径的时延，并计算最大连通度。下面的虚线框203对应于（302）的步骤3，计算出路由表中所有节点的最大连通度，并排序选出最小的作为单跳的中继节点。

图3为单跳的中继节点选择方法示意图。如图3所示，源节点A发送消息报文至目的节点E的默认IP路径途径B、C、D三个节点。整个路径的时延为150ms。如果采用ASAP算法，中继节点会选中relay3来转发数据包。这时的路径时延为120ms。如果选用EDR算法来选择中继节点，则会选择最先从默认路径中分离出来的路径，并且选择最远的中继节点relay1。但是使用本发明按照图2的流程计算θ，relay1、relay2、relay3分别为1.7、1.3、1.55，那么根据最大连通度选择relay2作为中继节点。EDR算法只考虑了最先与默认路径分离开的路径，并且认为此路径能够最大限度的提高与默认IP路径的差异度。ASAP算法则选择了与默认路径重合度较高的路径。只有本发明既考虑了与默认路径的差异度，又考虑了时延大小，是一个综合多个影响因素来选择的算法。

图4为两跳的中继节点选择方法示意图。如图4所示，源节点A传输VoIP报文到目的节点G的默认IP路径是A-B-C-D-E-F-G。可以看出，如果采用默认IP路径或者单跳的中继节点转发路径，传输的时延均不符合VoIP业务的要求。所以根据步骤（303）和（304）来寻找两跳的中继节点转发路径。根据（303），从源节点的候选中继路由表的三个节点relay11、relay12、relay13中选出的relay11和relay12作为第一跳的候选中继。然后从目的节点的候选中继路由表选出relay21，relay22作为第二跳的候选中继。执行（304），可以有四条候选的两跳中继转发路径，分别途径中继节点组（relay11，relay21）、（relay11，relay22）、（relay12，relay21）、（relay12，relay22）。计算这四条路径的最大连通度，分别为1.408、1.266、1.299、1.295。那么根据计算结果，应当选取relay11作为第一跳的中继节点，relay22作为第二跳的中继节点。再检验两跳的中继节点转发路径的时延是140ms，满足VoIP对时延的要求。因此，构建两跳的中继节点转发路径可以对单跳的中继节点转发路径进行补充，在单跳中继路径出现故障或无法构建成功时，来构建两跳的中继节点转发路径。

通过采用大规模多自治域网络上的实验数据来验证本发明的可行性和有效性。

数据选自于哈佛大学SystemsResearchatHarvard（SYRAH）实验室通过King测量工具测得的1895个节点间时延（http//www.eecs.harvard.edu/～syrah/nc/）。从初始数据中选取部分节点数据，将这些节点的IP地址与IP前缀计算获得自治域号。实验采用matlab软件。实验的参数说明表如下：

表3实验参数表

为了说明本发明提出的应用层中继节点路由对于VoIP业务传输时延的改善，给出图5和图6。

图5为本发明与默认IP路径时延的比较。图中实线为本发明方案单跳的时延，虚线为默认IP路径时延，点线为本发明方案两跳的时延。从图中可以很清楚的看出来使用本方案之后，路径的时延减少了一些。尽管有些时候应用本发明方案的时延也会大于150ms，但是比较默认IP路径，时延得到了改善。

通过计算，得到了本发明方案与默认路径的时延差值，如图6（a）所示。可以看到，本发明方案对默认IP路径的时延减少量维持在5-20ms之间。有个别情况会出现本发明方案的时延比较大的情况，这是因为有些自治域位于网络的边缘附近，网络连通性不够大，会导致构成的中继候选节点路由表中节点反而绕路，增加了网络的时延。但是可以从图中看到大部分的实验都可以找到缩短时延的中继节点。图6（b）则显示了时延改善率，从图中可以看到网络的时延可以改善5%-20%左右。

至此，多自治域网络中基于最大连通度的VoIP中继转发路径已经建立。该路径的选择方案充分考虑到传输时延和与默认IP路径差异性的问题，通过定义最大连通度，来完成构建中继转发路径的过程。为确保传输路径的鲁棒性，又创新性的通过两跳的中继转发方式来补充单跳中继节点转发路径的不足，从而保障了VoIP业务在大规模多自治域网络中的传输质量。

Claims (4)

1.一种基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法，其特征在于：该选择方法包括以下步骤：

1)在覆盖网络中，根据时延和自治域之间的跳数从节点i的相邻节点中选取若干个最有潜力成为中继节点的节点，以所述若干个最有潜力成为中继节点的节点创建节点i的中继路由表，i＝1,2…,M，M表示覆盖网络节点总数；

2)除去节点i的中继路由表中经过默认IP直连路径的节点，节点i的中继路由表中剩余的节点组成候选中继节点集合，定义从源节点途经中继节点再到目的节点为中继路经，参考中继路经的时延以及中继路径与默认IP直连路径的重合度定义最大连通度，根据最大连通度从源节点的候选中继节点集合中选取中继节点，构建单跳中继的路由路径；

所述最大连通度如公式(1)所示：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{Ohops}{Thops}+\frac{Rlatency}{Qlatency}---\left(1\right)$

，其中，θ表示最大连通度，Ohops表示重合的节点跳数，Thops表示总的节点跳数，Rlatency表示中继路径的时延，Qlatency表示VoIP的QoS对于时延的要求，选择使θ最小的节点作为中继节点；

所述最有潜力成为中继节点的节点采用以下方法进行选取：依次从距离节点i所在自治域为1跳,2跳,…,T跳的自治域内选取节点，当选取的节点总数等于中继路由表的节点数上限后，停止选取；对于距离节点i所在自治域为t跳的自治域内的节点，t＝1,2,…,T，在选取之前，将自治域内的节点按照时延的大小排序，经过排序后，选取时延最小的j_t个节点，t<3时，j_t＝T-t；t≥3时，j_t＝1；

所述中继路由表中包含的节点数量为10-30；T的取值为4；j_t的取值范围为[1,3]。

2.根据权利要求1所述一种基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法，其特征在于：所述选择方法还包括以下步骤：

1)单跳中继的路由路径构建以后，从源节点的候选中继节点集合中依次选出使最大连通度最小的k个节点作为第一跳中继的候选中继节点集，从目的节点的候选中继节点集合中依次选出使最大连通度最小的m个节点作为第二跳中继的候选中继节点集；

2)上述两组候选中继节点集组成k×m条两跳的中继路径，计算k×m条两跳的中继路径的最大连通度，然后选出使最大连通度最小的一组节点作为最终的中继节点，构成两跳中继的路由路径。

3.根据权利要求2所述一种基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法，其特征在于：k的取值范围为[2,5]，m的取值范围为[2,5]。

4.根据权利要求2所述一种基于多源AS最大连通度的覆盖网Relay选择方法，其特征在于：所述两跳中继的路由路径是先将数据从源节点传输至第一跳中继节点，再转发至第二跳中继节点，最后传输到目的节点。